代 璐，崔 欣

0 引言

瀝青混合料壓實是路面鋪筑過程中一個重要環(huán)節(jié)，壓實質量的好壞對路面使用性能以及服務期限有很大影響［1-4］。壓實不足則無法達到路面鋪筑的要求，使空隙率過大，瀝青混合料的模量以及抗剪強度等力學性能下降，易產生早期病害［5-6］;壓實過度則會出現(xiàn)壓實白斑，同時導致空隙率變小，易發(fā)生泛油和車轍等病害［7］。影響瀝青混合料壓實特性的因素有很多，如級配、溫度、瀝青含量、集料特征以及壓實方法等，其中溫度以及瀝青含量是與瀝青膠結料有關的影響因素，而混合料中95%左右的材料為集料，級配、集料特征以及集料分布狀態(tài)對混合料的力學性能影響甚大。

常見的混合料壓實成型方法主要有馬歇爾擊實法、旋轉壓實成型、靜壓成型以及振動成型等方法，其中旋轉壓實成型與實際路面壓實過程最為接近。利用旋轉壓實成型過程的密實曲線可以對混合料的壓實特性做出評估，進而評估瀝青路面攤鋪碾壓時的壓實狀態(tài)［8-10］。隨著對瀝青混合料材料特性的研究深入，從混合料的細觀角度對其路用性能進行揭示逐漸成為研究熱點［11-15］，越來越多的研究人員通過CT掃描這種無損檢測技術對混合料的內部結構進行探索，對集料的分布狀態(tài)以及混合料空隙率等體積指標進行研究，從細觀角度揭示混合料的力學性能。本文立足于級配對混合料壓實特性的影響，通過混合料集料之間的接觸狀態(tài)對瀝青混合料的壓實特性進行細觀角度的分析。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

為了分析級配對瀝青混合料壓實特性的影響，選取不同最大公稱粒徑以及不同結構類型的瀝青混合料，在其各自最佳瀝青用量及成型溫度下進行壓實試驗。本文采用的SBS改性瀝青性能見表1，不同類型混合料的級配見表2。

表1 SBS改性瀝青的性能

表2 不同類型混合料的級配組成

1.2 試驗方案

為確保壓實溫度的一致性，通過黏溫曲線確定壓實溫度，通過旋轉壓實成型試件分別確定各級配對應的最佳瀝青用量。對 AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13、OGFC-13級配的瀝青混合料在其最佳油石比條件下進行旋轉壓實，初始壓實次數(shù)Nini、設計壓實次數(shù)Ndes以及最大壓實次數(shù)Nmax分別為8、100、160次。

圖1 密實曲線以及密實能量指數(shù)CEI

圖2 密實斜率K1

圖3 密實斜率K2

使用旋轉壓實儀成型試件，得到如圖1所示的密實曲線，并基于該密實曲線提出密實能量指數(shù)CEI以及密實曲線斜率 K1、K2(圖2、3)。CEI表示瀝青混合料從初始壓實次數(shù)經過旋轉壓實達到設計壓實次數(shù)100次、目標空隙率達到4%時，混合料減小空隙體積所需要的能耗。CEI作為一種能量指數(shù)，反映了實際路面鋪筑過程中瀝青混合料從攤鋪到壓實到一定密實度時施工機械所做的功。CEI值越小，表明混合料的施工和易性越好。K1反映瀝青混合料達到目標空隙率時的可壓實速率，K1值越大，說明混合料的可壓實速率越大。計算時橫坐標取Nini～Ndes部分，并進行對數(shù)化處理，縱坐標為密實度比Gmm，對曲線進行線性擬合得到斜直線，其斜率即為K1，擬合的回歸系數(shù)為0.99。K2表示瀝青混合料從空隙率4%進一步密實到2%及以下過程中的壓實速率。計算時橫坐標取Ndes～Nmax部分，縱坐標為密實度比Gmm，對該段密實曲線進行線性擬合得到相應的斜直線，其斜率即為K2，擬合的回歸系數(shù)為0.98。K2與混合料的抗車轍能力相關，K2值越小，說明抵抗車轍的能力越強。

2 級配對混合料壓實特性的影響

2.1 最大公稱粒徑的影響

分別對AC-13、AC-16、AC-20級配的瀝青混合料在各自的最佳油石比下進行旋轉壓實，成型試件后對其體積指標進行測試，并計算密實曲線相關參數(shù)，結果見表3。

表3 不同級配類型混合料的壓實特性參數(shù)

由表3可知，CEI指數(shù)隨著最大公稱粒徑的增大而增大，這說明在壓實過程中，較大的公稱粒徑密級配瀝青混合料達到目標空隙率需要更多的能量。公稱粒徑較大的瀝青混合料多應用于中下面層，其CEI值較大，表明在施工時和易性較差，即在路面的中下面層攤鋪碾壓時，要給予更多的壓實功。K1值隨著最大公稱粒徑的增大而減小，表明在壓實過程中可壓實速率逐漸降低。在同樣的壓實速率下，混合料達到目標空隙率時，公稱粒徑較大的混合料需要的時間較短。對比各級配瀝青混合料K2值可知，AC-20最大，AC-16次之，AC-13最小。這說明在達到目標空隙率、路面開放交通后，AC-13混合料更容易發(fā)生進一步密實，就抵抗混合料進一步密實而發(fā)生車轍現(xiàn)象的能力而言，公稱粒徑較大的AC-20抵抗能力較強。

2.2 混合料類型的影響

對AC-13、SMA-13、OGFC-13級配瀝青混合料在各自的最佳油石比條件下進行旋轉壓實，成型試件后對其體積指標進行測試，并計算密實曲線相關參數(shù)，結果見表4。

表4 不同級配類型混合料的壓實特性參數(shù)

對比表4中AC-13、SMA-13、OGFC-13三種不同級配類型的瀝青混合料的壓實特性可知，在壓實階段，OGFC-13的CEI值最大，SMA-13次之，AC-13最小，3種類型混合料的K1值大小順序則反之。由此可見，間斷開級配OGFC-13混合料的骨架效應對其壓實特性影響顯著，導致混合料壓實達到目標空隙率時需要較大的能量，而其K1值最小，說明其可壓實速率較小，混合料可壓實性不如其他2種混合料好。由K2值的計算結果可以看出，AC-13的K2值最大，OGFC-13次之，SMA-13最小，這表明SMA-13混合料的抵抗車轍能力相對較強，而骨架效應較為顯著的OGFC-13抵抗車轍能力并不是最好的。

3 CT技術的應用和圖像處理

為了從細觀角度理解混合料的壓實特性，利用CT技術對旋轉壓實次數(shù)達到Ndes的試件進行掃描，結果如圖4所示。CT掃描的精度為0.12 mm，這就意味對一個試件從上到下掃描完成后，經過三維重構可得到約800張左右如圖5(a)所示的斷面圖像，在這種精度下基本可實現(xiàn)對試件的真實還原。CT掃描對象的物質密度越大，呈現(xiàn)的圖像顏色越淺，因此圖5(a)中顏色較淺的為集料，顏色較深的為瀝青以及空隙。依據得到的圖像對試件內部的集料接觸狀態(tài)進行觀察和計算，從而建立與混合料壓實特性的聯(lián)系。

圖4 CT掃描

圖5 圖像處理及計算

通過Matlab對掃描得到的圖像先進行閾值處理，再進行二值化處理，處理完成后圖中只有白色的集料以及黑色的空隙和膠結料。為方便觀察、判斷和計算，對二值化的圖像進行渲染，同時為縮短計算機計算時長，將細集料(粒徑小于2.36 mm)、瀝青膠結料以及空隙進行消除，結果如圖5(b)所示。下一步只關注如圖5(c)所示圖像中的粗集料間的接觸。判斷集料之間是否接觸時，認為集料如果發(fā)生接觸，則集料之間的距離只能是集料表面裹敷的瀝青膠結料的厚度，根據相關研究已知瀝青膜厚度一般在200μm左右，反映在斷層圖像中就是一個集料邊緣周圍4伊4像素內有另一個集料邊緣存在，如果存在，則判定該兩顆集料發(fā)生接觸。由于在圖像處理時存在誤差，所以判定集料發(fā)生接觸的同時要判斷這2個集料的大小，只要其中有一個集料的像素值小于20則認為接觸無效，如此可對圖像處理過程中細集料的消除狀態(tài)進行校正。對于判定接觸有效的2個集料則輸出接觸點坐標并記下接觸1次。通過編程使得程序自動對每一張圖像內所有集料的接觸狀態(tài)進行判斷和計算，對其所有的斷層圖像計算后求和得到接觸點數(shù)n。

4 接觸點數(shù)對壓實特性的影響

對 AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13、OGFC-13 五種不同級配組成的瀝青混合料旋轉壓實試件進行CT掃描，得到每個試件的一系列圖像之后，按照圖像對應試件上的位置編號，將試件均分為上、中、下3個部分，同時通過Matlab軟件分別計算試件上、中、下3個部分粗集料的接觸點數(shù)以及總數(shù)，結果如表5所示。

表5 試件接觸點統(tǒng)計結果

通過表5可以看出，瀝青混合料經過旋轉壓實后，上、中、下3個部分的接觸點數(shù)相差甚大，上部接觸點數(shù)總是比其他2個部位多，這是由于上部集料更接近于完全壓實。通過總接觸點數(shù)來看，對于同類型不同最大公稱粒徑的瀝青混合料而言，AC-20混合料的接觸點數(shù)最多，AC-16次之，AC-13最少;對于不同級配類型的混合料而言，OGFC-13混合料的接觸點數(shù)最多，SMA-13次之，AC-13最少。這說明，對于不同最大公稱粒徑的同類型瀝青混合料，AC-20混合料更容易形成較有效的接觸，這些有效接觸就是混合料內部集料受力傳遞的結點，也是混合料力學強度形成的基礎。對于不同類型的混合料而言，骨架結構的間斷開級配混合料OGFC-13相對其他2種混合料更容易形成較好的接觸。

結合表3、4，對混合料的壓實特性與集料的接觸點統(tǒng)計數(shù)據進行關聯(lián)可知，混合料的壓實是宏觀體積縮小的過程，在這個過程中，集料之間的空隙不斷減小，集料顆粒之間形成的接觸越來越多，混合料變得越來越難以壓實，達到一定的密實度后，混合料形成一定的力學強度。在壓實的過程中，級配組成不同導致混合料集料之間的接觸狀態(tài)存在差異，因此各類混合料的可壓實性能表現(xiàn)不同，混合料克服集料之間的接觸而不斷密實需要的壓實功也不一樣。

根據表3和表5，從細觀角度分析不同最大公稱粒徑混合料的壓實特性可知，AC-20的接觸點數(shù)在三者(AC-13、AC-16、AC-20)之中最多，而其密實能量指數(shù)CEI值也是最大，K1、K2值最小。如此可見，AC-20混合料的集料間容易形成較多接觸，因此混合料壓實到一定密實度后集料之間接觸點數(shù)量較多，想要進一步壓實到目標空隙率則變得比較困難，這就表現(xiàn)為K1值較小，混合料的可壓實速率較小。同樣，AC-20混合料要達到目標空隙率也需要更多的壓實功，因此CEI值較大。但是，當路面鋪筑完成開放交通后，AC-20會因為其接觸點數(shù)量較多而具有較好的“嵌鎖效應”，抗車轍變形的能力略勝于其他2種混合料，所以其對應的K2值較小。

根據表4、5，對不同類型的瀝青混合料進行壓實特性的微觀分析可知，在3種不同類型(AC-13、SMA-13、OGFC-13)的混合料中，OGFC-13混合料的接觸點數(shù)量較多，其密實能量指數(shù)CEI最大，K1、K2值最小。這表明3種不同類型的瀝青混合料中，OGFC-13的接觸效應比SMA-13要好，而兩者都強于AC-13。OGFC-13混合料的可壓實速率相對最小，混合料壓實需要較大的壓實功，在開放交通后，OGFC-13的抗車轍能力相對較好。同時，注意到SMA-13的K2值與OGFC-13相差并不大，可知SMA-13的抗車轍能力與OGFC-13相近。

5 結語

(1)混合料集料間的接觸點統(tǒng)計數(shù)量與其壓實表現(xiàn)存在一定的聯(lián)系。接觸點數(shù)量較多，密實能量指數(shù)較大，可壓實速率較小，而抗車轍變形的能力也相對較好。

(2)不同最大公稱粒徑的瀝青混合料要達到同一目標密實度時，公稱粒徑較大的混合料集料之間有更多的接觸，因此需要更多的壓實功，可壓實性較差，混合料具有較強的抗車轍能力。

(3)最大公稱粒徑相同但類型不同的混合料達到同一目標密實度時，OGFC-13混合料集料之間形成較多的接觸，所以需要較多的壓實功，SMA-13次之，AC-13最少。OGFC-13的可壓實性較差，但抗車轍能力較好，SMA-13的抗車轍能力略低于OGFC-13。

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